Первый термометр в мире, изобретенный Галилеем, устроен был именно таким образом, как наш мнимый барометр; в нем, вместо ртути, расширялся воздух. Подобные термометры тем неудобны, что положение уровня воды в трубке зависит не от одной лишь температуры, а отчасти и от атмосферного давления. Но, конечно, к температурным изменениям прибор этот гораздо чувствительнее, и Галилей был вполне прав, рассматривая его как термометр (вернее, термоскоп). Первый настоящий барометр изобретен учеником Галилея, Торичелли.
Прибор вроде того же мнимого барометра описывается еще у Герона Александрийского (см. рис. 68). Когда солнечные лучи нагревают шар, воздух в верхней его части, расширяясь, давит на воду и выталкивает ее по трубке наружу; тогда вода начинает капать из конца трубки в воронку. В холодную погоду упругость воздуха в шаре уменьшается, и вода из нижнего ящика устремляется по трубке в шар.
Рис. 68. Термоскоп Герона.
Египетские чудеса
Вот еще два любопытных прибора, описываемые Героном. Их действие основано также на расширении воздуха от нагревания. На рис. 69 вы видите пустотелый металлический жертвенник, а под ним – скрытый в подземелье храма механизм, приводящий в движение двери. Когда на жертвеннике разводят огонь, воздух внутри жертвенника, расширяясь от нагревания, давит на воду в котле, скрытом под полом; из котла вода переходит по трубке в соседний сосуд и приводит здесь в действие механизм, вращающий двери. Изумленные зрители, ничего не подозревающие о скрытой под полом установке, видят перед собой чудо: как только на жертвеннике запылает огонь, двери храма растворяются словно сами собою…
Рис. 69. «Чудо» египетских жрецов: двери храма сами растворяются, едва на жертвеннике запылает пламя. Разгадка «чуда» кроется под полом храма.
Рис. 70. Стоит зажечь жертвенный огонь – и фигурки жрецов сами будут непрерывно подливать масло из резервуара, скрытого под жертвенником.
Другое мнимое чудо египетских жрецов изображено на рис. 70. Когда на жертвеннике запылает пламя, воздух выдавит масло из нижнего резервуара в трубки, скрытые внутри фигур жрецов; и тогда масло чудесным образом само подливается в огонь… Но стоит жрецу, заведующему этим жертвенником, незаметно вынуть пробку из крышки резервуара, чтобы прекратить излияние масла (потому что избыток воздуха будет выходить через отверстие): это практиковалось, вероятно, тогда, когда приношение молящихся было, на взгляд жреца, слишком мизерно.
Часы, которые не надо заводить
Такого рода часы были изобретены несколько лет тому назад и представляют собою чрезвычайно любопытный механизм. С первого взгляда кажется, что видишь пред собой удачную попытку создать пресловутый «вечный двигатель», над которым тщетно ломали себе голову многие поколения неудачников-изобретателей. Однако описываемые часы имеют с «вечными двигателями» только внешнее сходство. Они не творят энергии «из ничего», а имеют внешний источник силы, – правда, довольно своеобразный.
Механизм самозаводящихся часов изображен на рис. 71. Главная часть его – стержни Z1 и Z2, сделанные из металла с большим коэффициентом расширения. Стержень Z1 упирается в зубцы колеса X, так что при удлинении этого стержня от нагревания зубчатое колесо немного поворачивается. Стержень Z2 зацепляет за зубцы колеса Y при укорочении от холода и поворачивает его в том же направлении. Оба колеса насажены на вал W1, при вращении которого вращается большое колесо с черпаками. Черпаки захватывает ртуть, налитую в нижний желоб; отсюда ртуть течет по желобу вниз к левому колесу, также снабженному черпаками; наполняя последние, ртуть заставляет это колесо вращаться; при этом приходит в движение цепь КК, охватывающая колёса К1 (на общем вале W2 с большим колесом) и К2; последнее колесо закручивает заводную пружину часов. Что же делается с ртутью, вылившеюся из черпаков левого колеса? Она стекает по наклонному желобу R1, снова к правому колесу, чтобы отсюда опять начать свое перемещение.
Рис. 71. Механизм часов, которые заводятся сами собой.
Механизм, как видим, должен двигаться сам собой, не останавливаясь, до тех пор, пока будут удлиняться или укорачиваться стержни Z1 и Z2. Следовательно, для того, чтобы часы заводились, необходимо только, чтобы температура воздуха попеременно то повышалась, то понижалась. Но это именно и происходит само собой, не требуя забот с нашей стороны: всякая перемена в температуре окружающего воздуха вызывает удлинение или укорочение стержней, вследствие чего все время медленно закручивается пружина часов.
Можно ли назвать эти часы «вечным двигателем» в том смысле, как это обыкновенно понимают? Конечно, нет. Правда, часы будут идти неопределенно долго, пока не износится их механизм, – но источником их энергии служит теплота окружающего воздуха; работа теплового расширения накопляется этими часами по маленьким порциям, чтобы непрерывно расходовать ее на движение часовых стрелок. Это не вечный, – а «даровой» двигатель, так как не требует забот и расходов на поддержание свой работы. Первоисточником его энергии является, конечно, теплота Солнца, согревающего Землю.
Физика на балу
Когда дамы на балу обмахиваются веерами, им, конечно, становится прохладнее. Казалось бы, что занятие это вполне невинное и что кавалеры могут быть только признательны дамам за охлаждение воздуха в зале.
Но посмотрим, так ли это. Почему при обмахивании веером мы ощущаем прохладу? Воздух, непосредственно прилегающий к нашему лицу, нагревается, и эта теплая воздушная маска, невидимо одевающая наше лицо, «греет» его, т. е. замедляет дальнейшую потерю тепла. Если воздух вокруг нас неподвижен, то нагревшийся близ лица слой воздуха лишь весьма медленно поднимается вверх (как более легкий) и так же медленно сменяется ненагретым воздухом. Когда же мы веером смахиваем с лица теплую воздушную маску, то лицо соприкасается все с новыми и новыми порциями ненагретого воздуха и непрерывно отдает ему свою теплоту. Вот почему мы при этом ощущаем прохладу.
Итак, при обмахивании веером дамы непрерывно удаляют от своего лица нагретый воздух и заменяют его ненагретым; нагревшись, этот воздух удаляется в свою очередь и заменяется новой порцией ненагретого, и т. д. Другими словами: работа вееров способствует скорейшему нагреванию воздуха во всей зале.
Значит, с точки зрения физики, следовало бы протестовать против дамских вееров, так как, доставляя временное облегчение обладательницам веера, они увеличивают общую духоту в бальной зале.
Греет ли вуаль?
Вот еще одна задача из физики обыденной жизни. Дамы утверждают, что вуаль греет и что без вуали лицо зябнет. При взгляде на легкую ткань вуали, нередко с довольно крупными ячейками, мужчины не очень склонны верить этому утверждению и думают, что согревающее действие вуали – одно «воображение».
Однако, если вспомните сказанное выше, вы отнесетесь к этому утверждению более доверчиво. Как бы крупны ни были ячейки вуали, воздух проходит через такую ткань все же с некоторым замедлением. Тот слой воздуха, который непосредственно прилегает к лицу и, нагревшись, является как бы теплой воздушной маской, – этот слой при наличности вуали не так быстро сдувается ветром, как при отсутствии ее. Поэтому нет основания не верить дамам, что при небольшом морозе и слабом ветре лицо во время ходьбы меньше зябнет в вуали, чем без нее.
Отчего при ветре холоднее?
Всякий знает, что в тихую погоду мороз переносится нами гораздо легче, чем при ветре. Но не все отчетливо представляют себе причину этого явления. Холод при ветре – явление субъективное: он ощущается лишь живыми существами; термометр, например, не опускается ниже, когда его обдувает ветер. Ощущение резкого холода в ветряную морозную погоду объясняется прежде всего тем, что от нашего лица (и вообще от тела) отнимается при этом гораздо больше тепла, нежели в тихую погоду, когда воздух, нагретый телом, не так быстро сменяется новой порцией холодного воздуха. Чем ветер сильнее, тем большая масса воздуха успевает в течение каждой минуты придти в соприкосновение с нашей кожей, и, следовательно, тем большее количество тепла ежеминутно отнимается от нашего тела. Этого одного уже было бы достаточно, чтобы вызвать ощущение холода.
Но есть и еще причина. Кожа наша всегда испаряет влагу даже в холодном воздухе. Для испарения требуется теплота, которая отнимается от нашего тела и того слоя воздуха, который к телу прилегает. Если воздух неподвижен, испарение совершается медленно, так как прилегающий к коже слой воздуха скоро насыщается парами (в насыщенном воздухе не происходит испарения). Но если воздух движется и к коже притекают все новые и новые его порции, то испарение все время поддерживается очень обильное, – а это требует большого расхода теплоты, заимствуемой у тела.
Так физика объясняет тот простой житейский факт, что на ветре всегда холоднее, чем в тихую погоду.
Горячее дыхание пустыни
«Значит, и в знойной местности ветер должен приносить прохладу, – скажет, пожалуй, читатель. – Почему же путешественники говорят о горячем дыхании пустыни?»
Кажущееся противоречие объясняется тем, что в тропическом климате воздух бывает теплее, чем наше тело. Неудивительно, что там при ветре людям становится не прохладнее, а жарче. Там теплота передается уже не от тела воздуху, а обратно – воздух нагревает человеческое тело. Поэтому, чем большая масса воздуха успеет в течение минуты прийти в соприкосновение с телом, тем сильнее ощущение жáра. Правда, испарение и здесь усиливается при ветре, – но первая причина перевешивает.